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DE102022201047A1 - Gas cell for enhanced light-matter interaction for integrated measurement systems - Google Patents

Gas cell for enhanced light-matter interaction for integrated measurement systems Download PDF

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DE102022201047A1
DE102022201047A1 DE102022201047.7A DE102022201047A DE102022201047A1 DE 102022201047 A1 DE102022201047 A1 DE 102022201047A1 DE 102022201047 A DE102022201047 A DE 102022201047A DE 102022201047 A1 DE102022201047 A1 DE 102022201047A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
light
gas cell
cages
gas
cavity
Prior art date
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Ceased
Application number
DE102022201047.7A
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German (de)
Inventor
Markus Krutzik
Aaron Strangfeld
Julien Kluge
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Humboldt Univ Zu Berlin Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts
Humboldt Universitaet Zu Berlin Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts
Original Assignee
Humboldt Univ Zu Berlin Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts
Humboldt Universitaet Zu Berlin Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts
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Publication date
Application filed by Humboldt Univ Zu Berlin Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts, Humboldt Universitaet Zu Berlin Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts filed Critical Humboldt Univ Zu Berlin Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts
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    • G01N21/01Arrangements or apparatus for facilitating the optical investigation
    • G01N21/03Cuvette constructions
    • G01N21/0303Optical path conditioning in cuvettes, e.g. windows; adapted optical elements or systems; path modifying or adjustment
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Gaszelle (1, 2) umfassend ein eingeschlossenes Gas in einer scheibenförmigen Kavität, wobei die Umwandung der Kavität (11, 12, 21, 22) für Licht eines vorbestimmten Wellenlängenintervalls wenigstens ein transparentes Eintrittsfenster und ein transparentes Austrittsfenster aufweist, und wobei das Licht von einem optischen Eingang (111, 2311) am Eintrittsfenster zu einem optischen Ausgang (111, 2311) am Austrittsfenster durch eine mit dem Gas befüllte Hohlkern-Wellenleiter-Anordnung (13, 23) geführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlkern-Wellenleiter-Anordnung (13, 23) abschnittsweise parallel verlaufende Lichtkäfige (131, 231) umfasst.

Figure DE102022201047A1_0000
The invention relates to a gas cell (1, 2) comprising an enclosed gas in a disc-shaped cavity, the wall of the cavity (11, 12, 21, 22) having at least one transparent entry window and one transparent exit window for light of a predetermined wavelength interval, and wherein the light is guided from an optical input (111, 2311) at the entry window to an optical output (111, 2311) at the exit window through a gas-filled hollow-core waveguide arrangement (13, 23), characterized in that the hollow-core Waveguide arrangement (13, 23) comprises light cages (131, 231) running parallel in sections.
Figure DE102022201047A1_0000

Description

Hintergrundbackground

Die Erfindung betrifft eine Gaszelle umfassend ein eingeschlossenes Gas in einem Gehäuse, wobei das Gehäuse für Licht eines vorbestimmten Wellenlängenintervalls wenigstens ein transparentes Eintrittsfenster und ein transparentes Austrittsfenster aufweist und wobei das Licht vom Eintrittsfenster zum Austrittsfenster durch eine mit dem Gas befüllte Hohlkern-Wellenleiter („hollowcore waveguide“, HCWG)-Anordnung geführt wird.The invention relates to a gas cell comprising an enclosed gas in a housing, the housing having at least one transparent entry window and one transparent exit window for light of a predetermined wavelength interval, and the light passing from the entry window to the exit window through a hollow-core waveguide filled with the gas ("hollowcore waveguide", HCWG) arrangement.

Licht-Materie-Wechselwirkung ist seit jeher eine wesentliche Grundlage optischer Sensorik. Speziell für Gase ist die Identifikation der Gasspezies anhand von Absorptionsspektren bestens bekannt. Ebenso lassen sich beispielsweise Gaszusammensetzungen analysieren, Verunreinigungen anhand von Lichtstreuung quantifizieren oder chemische Reaktionen beobachten, und auch Messgrößen, die ein Gas nur mittelbar beeinflussen, können durch Licht-Gas-Wechselwirkung sichtbar gemacht und erfasst werden, beispielweise Schallwellen mit einem Schlieren-Verfahren.Light-matter interaction has always been an essential basis of optical sensors. The identification of gas species based on absorption spectra is well known, especially for gases. Likewise, for example, gas compositions can be analyzed, impurities can be quantified using light scattering or chemical reactions can be observed, and measured variables that only indirectly affect a gas can be made visible and recorded through light-gas interaction, for example sound waves with a Schlieren method.

Seit einigen Jahren werden Gaszellen mit Alkalimetall-Dämpfen als interessante Kandidaten für die Integration in atomaren Messsystemen zur Ausnutzung von Quanteneffekten angesehen. Mittels optischer Felder können schmalbandige Absorptionslinien spektroskopiert werden für die Realisierung von optischen Frequenzreferenzen. Atomare Gase können optisch gepumpt als empfindliche Magnetfeldsonden eingesetzt oder dazu angeregt werden, an einer ihrer Absorptionslinien ein ausgeprägt schmalbandiges, transparentes Fenster auszubilden („electromagnetically induced transparency“, EIT), das sich u.a. als ein sehr sensitiver Detektionsmechanismus und für die Speicherung von Quanteninformation ausnutzen lässt.For some years, gas cells with alkali metal vapors have been considered as interesting candidates for integration into atomic measurement systems to exploit quantum effects. By means of optical fields, narrow-band absorption lines can be spectroscopy for the realization of optical frequency references. Atomic gases can be optically pumped and used as sensitive magnetic field probes or stimulated to form a distinctly narrow-band, transparent window on one of their absorption lines ("electromagnetically induced transparency", EIT), which can be used, among other things, as a very sensitive detection mechanism and for the storage of quantum information leaves.

Für die technische Ausnutzung ist es von Bedeutung, möglichst kleine und kompakte Systeme - idealerweise vollständig integrierbare Chip-Technologie z.B. auf Glas-/Siliziumbasis - zu entwickeln, die unter anderem auch miniaturisierte Gaszellen zur Bereitstellung der Licht-Materie-Wechselwirkung umfassen. Um dabei mit heutiger MEMS-Technologie kompatibel zu bleiben, ist die Integration einer Kavität mit einer darin enthaltenen Gasspezies in einen Wafer mit integrierten Wellenleiterstrukturen und/oder optischen Resonatoren unerlässlich. Unter einer Kavität versteht die vorliegende Beschreibung ausdrücklich einen gasgefüllten Hohlraum und nicht etwa eine optische Kavität wie z.B. einen Laserresonator. Beispielhafte Vorschläge für solche gasgefüllten Kavitäten sind etwa der Druckschrift US 8385693 B2 und dem Paper von Karlen, Sylvain & Buchs, Gilles & Overstolz, Thomas & Torcheboeuf, Nicolas & Onillon, Emmanuel & Haesler, Jacques & Boiko, D. (2017), „MEMS atomic vapor cells for gyroscope applications“, DOI:10.1109/FCS.2017.8088879 zu entnehmen.For technical exploitation, it is important to develop systems that are as small and compact as possible - ideally fully integrable chip technology, for example based on glass/silicon - which also include miniaturized gas cells for providing the light-matter interaction. In order to remain compatible with today's MEMS technology, the integration of a cavity containing a gas species into a wafer with integrated waveguide structures and/or optical resonators is essential. The present description expressly understands a cavity to mean a gas-filled cavity and not an optical cavity such as, for example, a laser resonator. Exemplary proposals for such gas-filled cavities are, for example, in the publication US8385693B2 and the paper by Karlen, Sylvain & Buchs, Gilles & Overstolz, Thomas & Torcheboeuf, Nicolas & Onillon, Emmanuel & Haesler, Jacques & Boiko, D. (2017), "MEMS atomic vapor cells for gyroscope applications", DOI:10.1109/ FCS.2017.8088879.

Chip-integrierbare Kavitäten sind zwangsläufig von kleinem Volumen; ihr größter Innendurchmesser kann einige Millimeter bis hin zu wenigen Zentimetern betragen. Herstellungsbedingt sind integrierte Kavitäten üblich scheibenförmig, d.h. ihre Abmessungen sind von einer kurzen Achse (z) und zwei dazu senkrechten langen Achsen (x, y - aufspannend die Scheibenebene) bestimmt, wobei die Durchmesser der Kavität in x,y-Richtung vergleichbar groß und deutlich größer als der Durchmesser in z-Richtung sind. Die Umwandung der Kavität bildet das Gehäuse der Gaszelle und kann aus verschiedenen Materialien bestehen. Insbesondere kann die Umwandung für Licht transparente Fenster - z.B. aus Glas - umfassen.Chip-integrated cavities are inevitably of small volume; their largest inner diameter can be a few millimeters up to a few centimeters. Due to the manufacturing process, integrated cavities are usually disc-shaped, i.e. their dimensions are determined by a short axis (z) and two long axes perpendicular to it (x, y - spanning the plane of the disc), with the diameter of the cavity in the x, y direction being comparably large and clear are larger than the diameter in the z-direction. The wall of the cavity forms the housing of the gas cell and can be made of different materials. In particular, the enclosure may include windows that are transparent to light, e.g. made of glass.

Es erweist sich oft als problematisch, ein ausreichend starkes optisches Signal durch Absorption oder Fluoreszenz zu erhalten, wenn der Lichtstrahl das Gas nur auf einer kurzen Strecke durchquert. Als Abhilfe ist bekannt, die Innenwände einer Gaszelle zu verspiegeln und so eine Mehrzahl von Durchquerungen zwischen Lichteintritts- und Lichtaustrittsfenster vorzusehen. Diese Mehrzahl N ist üblich eine kleine natürliche Zahl, typisch N < 10, und die im Gas zurück gelegte Pfadlänge des Lichts ist genau bekannt und kleiner als das N-fache des größten Innendurchmessers der Gaszelle. Zudem propagiert das Licht in diesen Fällen als Freistrahl innerhalb des Gases, und das Auffächern des Lichts sowie ungewollte Störungen durch Reflexion, Streuung, Beugung (z.B. bei Einstrahlen aus einer Lichtleiterfaser) führt zu mit N anwachsenden geometrischen Verlusten an Intensität am Austrittsfenster. Eine möglichst durchgehende Führung des Lichts in einem Wellenleiter und dadurch mit kontrollierbarem Modendurchmesser ist wünschenswert.It is often difficult to obtain a sufficiently strong optical signal by absorption or fluorescence when the light beam only traverses a short distance through the gas. As a remedy, it is known to mirror the inner walls of a gas cell and thus to provide a plurality of crossings between the light entry and light exit windows. This plurality N is usually a small natural number, typically N < 10, and the path length of the light covered in the gas is precisely known and is smaller than N times the largest inner diameter of the gas cell. In addition, the light propagates in these cases as a free beam within the gas, and the fanning out of the light as well as unwanted disturbances due to reflection, scattering, diffraction (e.g. when radiating from an optical fiber) lead to geometric losses of intensity at the exit window that increase with N. It is desirable for the light to be guided as continuously as possible in a waveguide and thus with a controllable mode diameter.

Eine Alternative zu einer Gaszelle kann im Prinzip in einem Hohlkernwellenleiter gesehen werden, der aus einem Fasermantel („cladding“) umgebend einen Hohlraum entlang der Faserrichtung besteht. Der Hohlraum kann Vakuum oder eine Gaszusammensetzung aufweisen. Das Licht wird im Hohlraum - auch: Hohlkern - geführt, wobei der Innenraum des Hohlkerns eine verspiegelnde, z.B. metallische oder optische Beschichtung aufweisen kann. Hohlkernfasern sind geeignet, ein sehr breites Wellenlängenspektrum zu transportieren, und empfehlen sich schon deshalb für optische Sensorik.An alternative to a gas cell can in principle be seen in a hollow core waveguide, which consists of a fiber cladding ("cladding") surrounding a cavity along the fiber direction. The cavity may be vacuum or gas composition. The light is guided in the cavity - also: hollow core - whereby the interior of the hollow core can have a reflective, e.g. metallic or optical coating. Hollow-core fibers are suitable for transporting a very wide range of wavelengths and are therefore recommended for optical sensors.

Die gleichmäßige Gasbefüllung des Hohlkerns kann sich als kompliziert erweisen, etwa wenn die gewünschte Gasspezies erst bei erhöhter Temperatur gasförmig ist oder wenn mit einer Adsorption des Gases an der Innenwand der Faser oder anderen Oberflächen des Systems zu rechnen ist, welche die Transmission limitieren können. Weiteres ist dem Übersichtsartikel von Nikodem, „Laser-Based Trace Gas Detection inside Hollow-Core Fibers: A Review“, Materials 2020, 13, 3983; doi:10.3390/ma13183983 zu entnehmen. In der dort gezeigten 2 wird auf das Befüllen des HCWG von den Faserenden her oder durch eine Mehrzahl von Kanälen im Fasermantel hingewiesen. Die gasgefüllten Hohlkernfasern sind in den erstgenannten Fällen zu einer Spule aufgewickelt, um eine Pfadlänge des Lichts (ggf. einige Meter) auf begrenztem Bauraum unterzubringen. Demgegenüber fällt auf, dass der mit Kanälen versehene Lichtleiter in einer (hier zu öffnenden) Gaszelle angeordnet ist und ohne Krümmung verläuft.Filling the hollow core with gas evenly can prove to be complicated, for example if the desired gas species is only available at elevated temperature is gaseous or if adsorption of the gas on the inner wall of the fiber or other surfaces of the system is to be expected, which can limit the transmission. For more information see Nikodem's review article, "Laser-Based Trace Gas Detection inside Hollow-Core Fibers: A Review", Materials 2020, 13, 3983; doi:10.3390/ma13183983. In the one shown there 2 refers to the filling of the HCWG from the fiber ends or through a plurality of channels in the fiber cladding. In the first-mentioned cases, the gas-filled hollow-core fibers are wound up into a spool in order to accommodate a light path length (possibly a few meters) in a limited installation space. In contrast, it is striking that the light guide, which is provided with channels, is arranged in a gas cell (which can be opened here) and runs without any bends.

Die Druckschrift US 7,259,374 B2 beschreibt eine Hohlkernfaserspule als Gasraum in einem kompakten Spektrometer zur Detektion von Spurengasen. Allerdings ist der kleinste Krümmungsradius der Hohlkernfaser nach unten dadurch begrenzt, dass ein zu kleiner Radius zu Verlusten und schließlich zur Umkehr der Strahlrichtung führen kann: „In this case, the angle of incidence of the impinging radiation upon the inner wall surface plays a crucial role in determining whether the radiation will continue to go forwards, trapped into stationery resonant reflections or reversing its reflection direction going backwards altogether.“ In der Druckschrift wird der kleinste Krümmungsradius exemplarisch als 1 Zoll = 2,54 cm angegeben.The pamphlet U.S. 7,259,374 B2 describes a hollow-core fiber coil as the gas space in a compact spectrometer for the detection of trace gases. However, the smallest radius of curvature of the hollow-core fiber has a lower limit because a radius that is too small can lead to losses and ultimately to reversal of the beam direction: "In this case, the angle of incidence of the impinging radiation upon the inner wall surface plays a crucial role in determining whether the radiation will continue to go forwards, trapped into stationery resonant reflections or reversing its reflection direction going backwards altogether.” In the publication, the smallest radius of curvature is given as an example of 1 inch = 2.54 cm.

Neben den gewöhnlichen oder innenverspiegelten Hohlkernfasern, bei denen die Lichtführung durch Reflexionen erfolgt, sind mittlerweile auch anti-resonante Hohlkern-Wellenleiter („hollow-core anti-resonant fiber“, HARF) bekannt, an deren Fasermantelinnenwand eine Mehrzahl von dünnen Fasersträngen den hohlen Kern der HARF symmetrisch umgebend angeordnet sind. Eine beispielhafte und typische Anordnung umfasst sechs Stränge, deren Zentren im Querschnitt der HARF ein regelmäßiges Sechseck bilden. Die Lichtführung basiert hier auf konstruktiver Interferenz der in den Strängen laufenden Moden im Zentralbereich zwischen den Strängen und destruktiver Interferenz außerhalb. Die geführte Lichtintensität ist am größten im hohlen Kern der HARF und kann dort u.a. auch mit einem Gas in direkten Kontakt gebracht werden.In addition to the usual or internally mirrored hollow-core fibers, in which the light is guided by reflections, anti-resonant hollow-core waveguides (“hollow-core anti-resonant fibers”, HARF) are now also known, on whose fiber cladding inner wall a plurality of thin fiber strands form the hollow core are arranged symmetrically surrounding the HARF. An exemplary and typical arrangement comprises six strands, the centers of which form a regular hexagon in the cross-section of the HARF. The lighting is based here on constructive interference of the modes running in the strands in the central area between the strands and destructive interference outside. The guided light intensity is greatest in the hollow core of the HARF, where it can be brought into direct contact with a gas, among other things.

In der Arbeit von Shou-Fei Gao, Ying-Ying Wang, Xiao-Lu Liu, Wei Ding, and Pu Wang, „Bending loss characterization in nodeless hollow-core anti-resonant fiber,“ Opt. Express 24, 14801-14811 (2016) wird untersucht, wie groß die Intensitätsverluste einer gekrümmten HARF ausfallen können. Der in dieser Arbeit benannte kleinste akzeptable Krümmungsradius einer HARF beträgt 2 cm.In the work of Shou-Fei Gao, Ying-Ying Wang, Xiao-Lu Liu, Wei Ding, and Pu Wang, "Bending loss characterization in nodeless hollow-core anti-resonant fiber," Opt. Express 24, 14801-14811 ( 2016) it is investigated how large the intensity losses of a curved HARF can be. The smallest acceptable radius of curvature of a HARF mentioned in this work is 2 cm.

Aus der Druckschrift CN 111257992 B ist zu entnehmen, dass man die Verluste durch Krümmung einer HARF durch eine Verschiebung des Hohlkerns zwischen den Strängen verbessern kann. Hierfür sind die Stränge dann unterschiedlich dick auszugestalten.From the pamphlet CN 111257992B it can be seen that the losses due to bending of a HARF can be improved by shifting the hollow core between the strands. For this purpose, the strands are then designed with different thicknesses.

Seit wenigen Jahren sind sogenannte Lichtkäfige („light cages“) als weitere Hohlkern-Wellenleiter bekannt, vgl. dazu Jain et al., „Hollow Core Light Cage: Trapping Light Behind Bars“, ACS Photonics 2019, 6, 3, 649-658 . Lichtkäfige sind verwandt mit den HARFs insofern, als dass die Lichtführung auch auf dem Interferenzprinzip beruht, wobei der Fasermantel nun weitestgehend geöffnet - genauer: annähernd vollständig entfernt - worden ist. Tatsächlich stehen die um den hohlen Kern herum angeordneten Stränge nun in weiten Teilen frei; sie werden lediglich noch punktuell von Verbindungselementen zwischen den Strängen in einem vorbestimmten Abstand zueinander gehalten. Dabei bilden die Verbindungselemente zusammen mit den Strängen eine Ringstruktur, und eine Mehrzahl von Ringstrukturen ist in üblich regelmäßigen Abständen entlang des HCWG angeordnet, um die Stränge in ihrem parallelen Verlauf zueinander zu fixieren. Die parallelen Stränge werden auch gern als die „Gitterstäbe“ des Lichtkäfigs bezeichnet, zwischen denen das Licht „eingeschlossen“ ist. Die Strukturen sind beispielsweise herstellbar mittels UV-Laserstrukturieren eines Blocks aus Photoresist-Polymer und anschließendem Bad im Entwickler. Offenkundig haben Lichtkäfige den Vorteil der bestmöglichen Zugänglichkeit des Hohlkerns („air core“, von nun ab kurz als Kern bezeichnet) für Gase aus der Umgebung.So-called light cages have been known as further hollow-core waveguides for a few years, cf Jain et al., "Hollow Core Light Cage: Trapping Light Behind Bars", ACS Photonics 2019, 6, 3, 649-658 . Light cages are related to HARFs in that the light guidance is also based on the interference principle, whereby the fiber cladding has now been largely opened - more precisely: almost completely removed. In fact, the strands arranged around the hollow core are now largely free; they are only held at a predetermined distance from one another at certain points by connecting elements between the strands. In this case, the connecting elements form a ring structure together with the strands, and a plurality of ring structures is arranged at customary regular intervals along the HCWG in order to fix the strands in their parallel course to one another. The parallel strands are often referred to as the "bars" of the light cage, between which the light is "locked". The structures can be produced, for example, by UV laser structuring of a block of photoresist polymer and subsequent bath in the developer. Obviously, light cages have the advantage of the best possible accessibility of the hollow core (“air core”, from now on referred to as core) for gases from the environment.

Die Arbeit von Davidson-Marquis et al., „Coherent interaction of atoms with a beam of light confined in a light cage“, Light: Science & Applications (2021) 10:114 verwendet einen auf einem Silizium-Träger hergestellten Lichtkäfig in einer mit Cäsium gefüllten Gaszelle zum Erzeugen einer EIT und weist dabei nach, dass der lichtführende Kern des Lichtkäfigs ohne Weiteres mit einer dafür ausreichend hohen Dichte an Cs-Atomen (ca. 7 × 1010 cm-3) versehen wird. Die Effizienz einer mit EIT im Lichtkäfig realisierten Lichtverzögerungsstrecke wird als vergleichbar zu einem Freistrahl-Aufbau beurteilt.The work of Davidson-Marquis et al., "Coherent interaction of atoms with a beam of light confined in a light cage," Light: Science & Applications (2021) 10:114 uses a light cage made on a silicon substrate in a gas cell filled with cesium to generate an EIT and proves that the light-conducting core of the light cage can easily be filled with a sufficiently high density of Cs atoms (approx. 7 × 10 10 cm -3 ). The efficiency of a light delay path realized with EIT in the light cage is judged to be comparable to a free-beam setup.

Vor diesem Hintergrund stellt sich die Erfindung die Aufgabe, eine in Chiptechnologie integrierbare Gaszelle so auszugestalten, dass sie eine gegenüber dem Stand der Technik größere Pfadlänge des in das Gas eingestrahlten Lichts ermöglicht.Against this background, the object of the invention is to design a gas cell that can be integrated into chip technology in such a way that it enables the light radiated into the gas to have a greater path length than in the prior art.

Kurzdarstellung der ErfindungSummary of the Invention

Die Aufgabe wird gelöst durch eine Gaszelle umfassend ein eingeschlossenes Gas in einer scheibenförmigen Kavität, wobei die Umwandung der Kavität für Licht eines vorbestimmten Wellenlängenintervalls wenigstens ein transparentes Eintrittsfenster und ein transparentes Austrittsfenster aufweist und wobei das Licht von einem optischen Eingang am Eintrittsfenster zu einem optischen Ausgang am Austrittsfenster durch eine mit dem Gas befüllte Hohlkern-Wellenleiter-Anordnung geführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlkern-Wellenleiter-Anordnung abschnittsweise parallel verlaufende Lichtkäfige umfasst.The object is achieved by a gas cell comprising an enclosed gas in a disk-shaped cavity, the wall of the cavity for light of a predetermined wavelength interval having at least one transparent entrance window and one transparent exit window, and the light passing from an optical entrance at the entrance window to an optical exit at the Exit window is guided through a gas-filled hollow-core waveguide arrangement, characterized in that the hollow-core waveguide arrangement partially includes parallel light cages.

Die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen an.The subclaims specify advantageous configurations.

Die abschnittsweise parallel verlaufenden Lichtkäfige sind erfindungsgemäß bevorzugt nebeneinander in einer Ebene angeordnet, die mit der Scheibenebene der Kavität zusammenfällt. Jeder Lichtkäfig weist Verbindungselemente, freitragende Stränge und einen lichtführenden Kern auf- aus dem Stand der Technik bekannt -, und der größte Abstand der Außenseiten zweier Stränge senkrecht zum Kernverlauf ist als der Durchmesser des Lichtkäfigs definiert. Zu jedem Lichtkäfig existiert wenigstens ein benachbarter Lichtkäfig, wobei erfindungsgemäß bevorzugt der Mittelpunktabstand der Kerne zweier benachbarter Lichtkäfige - i.F. kurz: Kern-Kern-Abstand - entlang der gesamten Strecke des parallelen Verlaufs nicht größer als der doppelte Durchmesser der Lichtkäfige ist. Jeweils benachbarte Lichtkäfige werden erfindungsgemäß von einem Lichtstrahl unmittelbar nacheinander durchlaufen. Die summierte Pfadlänge des Lichts zwischen Eintritts- und Austrittsfenster entspricht wenigstens der summierten Länge der Lichtkäfige und lässt sich erfindungsgemäß bevorzugt so einrichten, dass sie wenigstens um einen Faktor 10 größer ist als der größte Durchmesser der scheibenförmigen Kavität.According to the invention, the light cages, which run parallel in sections, are preferably arranged next to one another in a plane that coincides with the pane plane of the cavity. Each light cage has connecting elements, cantilevered strands and a light-carrying core - known from the prior art - and the greatest distance between the outsides of two strands perpendicular to the core run is defined as the diameter of the light cage. There is at least one adjacent light cage for each light cage, with the center distance of the cores of two adjacent light cages preferably being - i.F. in short: core-core distance - is not greater than twice the diameter of the light cages along the entire length of the parallel course. According to the invention, a light beam passes through adjacent light cages in immediate succession. The total path length of the light between the entry and exit windows corresponds at least to the total length of the light cages and can preferably be set up according to the invention such that it is at least a factor of 10 greater than the largest diameter of the disk-shaped cavity.

Figurenlistecharacter list

Die Erfindung wird näher erläutert anhand der folgenden Figuren. Dabei zeigt:

  • 1 eine beispielhafte Anordnung gerader paralleler Lichtkäfige in einer quaderförmig ausgebildeten Kavität in einem Wafer, wobei das Licht mittels 90°-Winkelspiegeln von je einem Lichtkäfig in den benachbarten Lichtkäfig retroreflektiert wird;
  • 2 eine beispielhaft spiralförmige Anordnung von gekrümmten Lichtkäfigen in einer kreiszylinderförmig ausgebildeten Kavität in einem Wafer, wobei das Licht von einer außen liegenden Spiralschleife an die benachbart weiter innen liegende direkt durchgeleitet wird.
The invention is explained in more detail with reference to the following figures. It shows:
  • 1 an exemplary arrangement of straight, parallel light cages in a cuboid cavity in a wafer, the light being retro-reflected by means of 90° angled mirrors from one light cage each into the adjacent light cage;
  • 2 an exemplary spiral arrangement of curved light cages in a circular-cylindrical cavity in a wafer, wherein the light is passed directly from an outer spiral loop to the adjacent inner one.

Ausführliche Darstellung der ErfindungDetailed presentation of the invention

In 1 ist eine erste exemplarische Ausführungsform der Erfindung in drei Skizzen - links: Schrägansicht, rechts oben: Aufsicht auf die Scheibenebene, rechts unten: Seitenansicht - dargestellt. Die erfindungsgemäße Gaszelle (1) ist als scheibenförmiger Quader mit zwei gleich langen x- und y-Achsen und einer kürzeren z-Achse ausgebildet. Sie umfasst eine ebenfalls quaderförmig scheibenförmige Kavität, die beispielsweise durch einen Ätzprozess in Silizium erzeugt werden kann. Die seitliche Umwandung der Kavität ist aus dem Silizium-Wafer (11) gebildet. Auf Ober- und Unterseite des Wafers (11) sind z.B. Glasscheiben (12) durch bekannte Verfahren befestigt, z.B. anodisch gebondet, die somit die obere und untere Umwandung der Kavität bilden.In 1 is a first exemplary embodiment of the invention in three sketches - left: oblique view, top right: plan view of the disk plane, bottom right: side view - shown. The gas cell (1) according to the invention is designed as a disc-shaped cuboid with two x and y axes of equal length and a shorter z axis. It also includes a cuboid, disk-shaped cavity that can be produced, for example, by an etching process in silicon. The lateral wall of the cavity is formed from the silicon wafer (11). On the top and bottom of the wafer (11), for example, glass panes (12) are attached using known methods, for example anodically bonded, which thus form the upper and lower wall of the cavity.

Innerhalb der Kavität sind parallel entlang einer der langen Scheibenachsen verlaufende Lichtkäfige angeordnet (13). Die einzelnen Lichtkäfige (131) sind hier alle als gerade Strecken ausgebildet und umfassen freitragende Stränge (nicht einzeln dargestellt), die durch regelmäßig beabstandete Stützstrukturen (132) in ihrer relativen Anordnung zueinander gehalten und fixiert sind. Die Stützstrukturen (132) können zudem zwischen zwei benachbarten Lichtkäfigen (131) so miteinander verbunden sein, dass die parallele Anordnung der Lichtkäfige (13) sichergestellt ist. Die Strangenden jedes Lichtkäfigs bilden die optischen Ein- oder Ausgänge (1311).Light cages (13) running parallel along one of the long pane axes are arranged within the cavity. The individual light cages (131) are all designed here as straight stretches and comprise self-supporting strands (not shown individually), which are held and fixed in their relative arrangement to one another by support structures (132) that are regularly spaced apart. The support structures (132) can also be connected to one another between two adjacent light cages (131) in such a way that the parallel arrangement of the light cages (13) is ensured. The strand ends of each light cage form the optical inputs or outputs (1311).

Wo der Silizium-Wafer (11) die seitliche Umwandung der Kavität bildet, sind an zwei einander gegenüberliegenden Seiten lineare Anordnungen von 90°-Winkelspiegeln (112) in die Umwandung eingelassen. Ein 90°-Winkelspiegel (112) besteht aus zwei Spiegelflächen - hier: verspiegelnd beschichtetes Silizium -, die in einem rechten Winkel aufeinander stehen. Die Normalen der zwei Spiegelflächen spannen jene Einfallsebene eines Lichtstrahls auf, in der der Lichtstrahl exakt in die Einfallsrichtung zurück reflektiert wird, d.h. in der der 90°-Winkelspiegel (112) als Retroreflektor mit einem seitlichen Versatz des ausfallenden gegenüber dem einfallenden Lichtstrahl wirkt. Die Anordnung der Lichtkäfige (13) und die Winkelspiegel-Anordnungen (112) sind in diesem Beispiel so gestaltet, dass den optischen Ein- oder Ausgängen (1311) jedes Paares von benachbarten Lichtkäfigen (131) ein retroreflektierender Winkelspiegel (112) gemeinsam gegenüberliegend angeordnet ist. Unter „gemeinsam gegenüberliegend“ ist im Kontext dieser Beschreibung zu verstehen, dass das aus dem optischen Ausgang (1311) des ersten Lichtkäfigs (13) austretenden Licht über die Retroreflektor-Eigenschaft eines der Winkelspiegel (112) genau in den optischen Eingang (1311) des zweiten Lichtkäfigs (13) gelenkt wird. Die Anordnungen der Winkelspiegel (112) in den gegenüberliegenden Seiten der Umwandung sind senkrecht zur Lichtführungsrichtung der Lichtkäfige (131) um einen Nachbarabstand der Lichtkäfige (131) gegeneinander versetzt, so dass ein Lichtstrahl einen mäanderförmigen Weg vom Eintrittsfenster (111) zum Austrittsfenster (111) zurücklegt.Where the silicon wafer (11) forms the lateral wall of the cavity, linear arrays of 90° angled mirrors (112) are embedded in the wall on two opposite sides. A 90° angled mirror (112) consists of two mirror surfaces - here: mirror-coated silicon - which are at right angles to one another. The normals of the two mirror surfaces span the plane of incidence of a light beam in which the light beam is reflected exactly back in the direction of incidence, i.e. in which the 90° angled mirror (112) acts as a retroreflector with a lateral offset of the emitted light beam compared to the incident light beam. In this example, the arrangement of the light cages (13) and the angle mirror arrangements (112) are designed in such a way that the optical inputs or outputs (1311) of each pair of adjacent light cages (131) have a retroreflective angle mirror (112) arranged opposite them . In the context of this description, “jointly opposite” is to be understood as meaning that the light emerging from the optical output (1311) of the first light cage (13) has the retroreflector property of one of the Angle mirror (112) is directed precisely into the optical entrance (1311) of the second light cage (13). The arrangements of the corner mirrors (112) in the opposite sides of the wall are offset from one another perpendicular to the direction of light guidance of the light cages (131) by a neighboring distance of the light cages (131), so that a light beam follows a meandering path from the entrance window (111) to the exit window (111). puts back.

Für quaderförmige Kavitäten ist die parallele Anordnung gerader Lichtkäfige (13) mit 90°-Winkelspiegeln (112) vorteilhaft, wobei die Lichtkäfige (131) bevorzugt entlang der längsten RechteckAchse der Scheibenebene ausgerichtet sind, um die Anzahl der benötigten Winkelspiegel (112) zu minimieren.The parallel arrangement of straight light cages (13) with 90° angled mirrors (112) is advantageous for cuboid cavities, with the light cages (131) preferably being aligned along the longest rectangular axis of the pane plane in order to minimize the number of angled mirrors (112) required.

In dem Ausführungsbeispiel der 1 kann die Gaszelle (1) eine Kavität mit Abmessungen 10 × 10 × 1,4 mm3 umfassen und beispielsweise 24 Lichtkäfige (131) mit Durchmesser 0,2 mm und Kern-Kern-Abstand 0,4 mm aufweisen. Die summierte Länge der Lichtkäfig-Anordnung (13) beträgt dann ca. 24 cm, etwa das 17 fache des größten Durchmessers der scheibenförmigen Kavität. Es ist anzumerken, dass das Licht in manchen Anwendungen senkrecht zur Scheibenebene einfallen und ebenso senkrecht zur Scheibenebene aus dem Ein- oder Austrittsfenster (111) austreten soll. Ein freier Lichtstrahl hätte dann nur einen Lichtpfad von ca. 1,4 mm im Gas zur Verfügung. Es ist aber durchaus bekannt, das einfallende Licht mittels eines ersten Spiegels hinter dem Eintrittsfenster (111) in die Scheibenebene zu lenken und nach dem Durchlaufen der Kavität mit einem zweiten Spiegel auf das Austrittsfenster (111) zu richten (siehe Chutani, R., Maurice, V., Passilly, N. et al. „Laser light routing in an elongated micromachined vapor cell with diffraction gratings for atomic clock applications“, Scientific Reports 5, 14001 (2015). https://doi.org/10.1038/srep14001). Die multiple Lichtführung durch die Kavität mittels einer abschnittsweise parallelen Anordnung von Lichtkäfigen (13) wird hier erfindungsgemäß hinzugefügt.In the embodiment of 1 the gas cell (1) can comprise a cavity with dimensions of 10×10×1.4 mm 3 and have, for example, 24 light cages (131) with a diameter of 0.2 mm and a core-core distance of 0.4 mm. The total length of the light cage arrangement (13) is then approximately 24 cm, approximately 17 times the largest diameter of the disk-shaped cavity. It should be noted that in some applications the light should come in perpendicular to the plane of the pane and should also exit the entrance or exit window (111) perpendicular to the plane of the pane. A free light beam would then only have a light path of approx. 1.4 mm in the gas. However, it is well known that the incident light can be directed into the pane plane by means of a first mirror behind the entrance window (111) and, after passing through the cavity, directed to the exit window (111) with a second mirror (see Chutani, R., Maurice , V., Passilly, N. et al "Laser light routing in an elongated micromachined vapor cell with diffraction gratings for atomic clock applications", Scientific Reports 5, 14001 (2015).https://doi.org/10.1038/srep14001 ). The multiple guidance of light through the cavity by means of a partially parallel arrangement of light cages (13) is added here according to the invention.

Bei dem ersten Ausführungsbeispiel legt das Licht kurze Pfadabschnitte beim Übergang von einem Lichtkäfig (131) zum nächsten als Freistrahl zurück. Dies hat einen geometrischen Verlust an Intensität zur Folge, der durch das Auffächern des Strahls beim Verlassen eines Lichtkäfigs (131) entsteht. Eine Abschätzung unter Berücksichtigung des Überlappintegrals der Moden führt dabei auf Verluste von ca. -0.3 dB pro Übergang von einem Lichtkäfig (131) zum nächsten. Durch das vorteilhafte Anordnen von Kollimationslinsen (nicht gezeigt) an den Ein- und/oder Ausgängen (1311) der Lichtkäfige (131) können diese Verluste weiter verringert werden, wie bereits für optische Fasern gezeigt worden ist (I. Weiss and D. M. Marom, „Direct 3D nanoprinting on fiber tip of collimating lens and OAM mode converter in one compound element,“ in Optical Fiber Communication Conference, OSA Technical Digest (online) (Optical Society of America, 2016), paper Th3E.2. https://doi.org/10.1364/OFC.2016.Th3E.2). Solche Linsen können beispielsweise hinzugefügt werden per 3D-Nanodruck direkt auf die Lichtkäfigenden (1311).In the first exemplary embodiment, the light covers short path sections when passing from one light cage (131) to the next as a free beam. This results in a geometric loss of intensity, which is caused by the beam fanning out as it leaves a light cage (131). An estimate taking into account the overlap integral of the modes leads to losses of about -0.3 dB per transition from one light cage (131) to the next. By advantageously arranging collimating lenses (not shown) at the inputs and/or outputs (1311) of the light cages (131), these losses can be further reduced, as has already been shown for optical fibers (I. Weiss and D. M. Marom, " Direct 3D nanoprinting on fiber tip of collimating lens and OAM mode converter in one compound element," in Optical Fiber Communication Conference, OSA Technical Digest (online) (Optical Society of America, 2016), paper Th3E.2. https://doi .org/10.1364/OFC.2016.Th3E.2). Such lenses can be added directly onto the light cage ends (1311) by 3D nanoprinting, for example.

In einer zweiten exemplarischen Ausführungsform der Erfindung wird davon ausgegangen, dass die in einem Silizium-Wafer erzeugte Kavität z.B. aus prozesstechnischen Gründen kreiszylinderförmig ausgebildet ist, d.h. einen kreisrunden Querschnitt in der Scheibenebene aufweist.In a second exemplary embodiment of the invention, it is assumed that the cavity produced in a silicon wafer is circular-cylindrical, e.g.

In 2 ist eine Gaszelle (2) in Schrägansicht (links) und Aufsicht (rechts) gezeigt, die wie im ersten Beispiel aus einem Silizium-Wafer (21) mit Kavität und zwei aufgebondeten Glasscheiben (22) gebildet ist. Die Lichtkäfig-Anordnung (23) in der Kavität ist nun spiralförmig ausgestaltet, wobei eine einzelne Spiralschleife, d.h. ein vollständiger 2π-Umlauf, nun als Abschnitt der Lichtkäfig-Anordnung (23) oder auch als einzelner gekrümmter Lichtkäfig (231) angesehen wird. Wie zuvor weist jeder Lichtkäfig (231) Stränge (nicht einzeln dargestellt), Stützstrukturen (232) und optische Ein- und Ausgänge auf. Dabei verläuft jeder Lichtkäfig (231) parallel zu wenigstens einem benachbarten Lichtkäfig (231), wobei der erste Nachbar außen liegend und der zweite innen liegend ist. Die Lichtkäfige (231) sind mit einem ersten Krümmungsradius am Anfang und mit einem zweiten Krümmungsradius kleiner als der erste Krümmungsradius am Ende ausgebildet, wobei zwei benachbarte Lichtkäfige (231) an jener Stelle verbunden sind, an der der zweite Krümmungsradius des außen liegenden Lichtkäfigs (231) und der erste Krümmungsradius des innen liegenden Lichtkäfigs (231) übereinstimmen. Zugleich fällt der optische Ausgang des außen liegenden mit dem optischen Eingang des innen liegenden Spiralschleifen-Lichtkäfigs (231) zusammen. Auf diese Weise wird ein Lichtstrahl von einem Lichtkäfig (231) an seinen benachbarten direkt „übergeben“, d.h. das Licht propagiert durch die Spirale aus Lichtkäfigen (23), ohne diese zu verlassen. Folglich weist die Spirale (23) insgesamt nur zwei optische Ein- oder Ausgänge (2311) auf. Ebendort sind Eintrittsfenster und Austrittsfenster - ggf. aufweisend einen Umlenkspiegel zur Lenkung des Lichts in die Scheibenebene - der Gaszelle (2) vorzusehenIn 2 a gas cell (2) is shown in an oblique view (left) and top view (right), which, as in the first example, is formed from a silicon wafer (21) with a cavity and two glass panes (22) bonded on. The light cage assembly (23) in the cavity is now spiral shaped, with a single spiral loop, ie a complete 2π orbit, now being considered a portion of the light cage assembly (23) or also a single curved light cage (231). As before, each light cage (231) has strands (not shown individually), support structures (232), and optical inputs and outputs. Each light cage (231) runs parallel to at least one neighboring light cage (231), the first neighbor being on the outside and the second on the inside. The light cages (231) are formed with a first radius of curvature at the beginning and with a second radius of curvature smaller than the first radius of curvature at the end, with two adjacent light cages (231) being connected at the point at which the second radius of curvature of the outer light cage (231 ) and the first radius of curvature of the inner light cage (231) match. At the same time, the optical output of the outer spiral loop light cage (231) coincides with the optical input of the inner spiral loop light cage. In this way, a ray of light is "transferred" directly from one light cage (231) to its neighboring one, ie the light propagates through the spiral of light cages (23) without leaving it. Consequently, the spiral (23) has a total of only two optical inputs or outputs (2311). The entry window and exit window of the gas cell (2) are to be provided there, possibly with a deflection mirror for deflecting the light into the pane plane

Es sind nach Kenntnis der Erfinder bislang im Stand der Technik noch keine gekrümmten Lichtkäfige (231) vorgeschlagen oder realisiert worden. Da sie sich hinsichtlich der Lichtführung sehr ähnlich wie HARFs verhalten, kann man die publizierten Erkenntnisse zu vertretbaren Krümmungsradien von HARFs auf die Spiralschleifen (231) übertragen. Demnach ist es vorteilhaft, wenn die Kavität der 2, in der die Spirale (23) angeordnet ist, wenigstens einen Scheibendurchmesser von 4 cm aufweist. Dann beträgt der Krümmungsradius der äußersten Spiralschleife (231) ca. 2 cm und zeigt geringe Verluste an Intensität. Für weiter innen liegende Lichtkäfige (231) nehmen Krümmungsradien und Längen zwar kontinuierlich ab, aber bereits das Vorsehen von 4-5 Spiralschleifen stellt sicher, dass sich die Pfadlänge des geführten Lichts auf wenigstens das 10-fache des größten Durchmessers der Kavität erhöhen lässt. Es sei angemerkt, dass 2 nur drei Spiralschleifen (231) zeigt, weil die äußerste zwecks besserer Darstellbarkeit weggelassen worden ist.To the inventors' knowledge, no curved light cages (231) have been proposed or implemented in the prior art. Since they behave very similarly to HARFs in terms of light guidance, the published findings on acceptable radii of curvature of HARFs can be transferred to spiral loops (231). Accordingly, it is advantageous if the cavity of 2 , in which the spiral (23) is arranged, has at least a disc diameter of 4 cm. Then the radius of curvature of the outermost spiral loop (231) is about 2 cm and shows small losses in intensity. For light cages (231) located further inwards, radii of curvature and lengths decrease continuously, but the provision of 4-5 spiral loops ensures that the path length of the guided light can be increased to at least 10 times the largest diameter of the cavity. It should be noted that 2 shows only three spiral loops (231) because the outermost one has been omitted for clarity.

Es ist ersichtlich, dass im Unterschied zu den bevorzugt baugleichen geraden Lichtkäfigen (131) der 1 die spiralschleifenförmigen Lichtkäfige (231) der 2 nicht baugleich sein können. Vielmehr weist jede Spiralschleife (231) eigene Verläufe von Krümmungsradien auf und ist dadurch konstruktiv hinsichtlich ihrer Position innerhalb der parallelen Anordnung der Spiralschleifen (23) festgelegt. Zugleich ist es möglich und vorteilhaft, dass auch die einzelnen Stränge der gekrümmten Lichtkäfige (231) im Verlauf einer Spiralschleife variiert werden können. Beispielsweise kann sich die Dicke der Stränge kontinuierlich verändern, so dass der von den Strängen umgebene, Licht führende Kernbereich nicht mehr exakt zentral im Lichtkäfig (231) liegt, wie dies von der CN 111257992 B für HARFs vorgeschlagen wird. Die bislang erprobte Erzeugung von Lichtkäfigen (131, 231) durch 3D-Strukturierung mittels UV-Laserbestrahlung von Photoresist-Blöcken und anschließender Entwicklung eignet sich auch ohne Weiteres für solche komplexeren, variabel verlaufenden (vernetzten) Strukturen mit hoher Präzision. Ein geeigneter Photoresist ist z.B. z.B. ein Diacrylat-basierter Photoresist wie z.B. IP-Dip aus dem unter UV- Beleuchtung die Lichtkäfige (131, 231) bildbar sind.It can be seen that in contrast to the preferred structurally identical straight light cages (131) of 1 the spiral loop-shaped light cages (231) of 2 cannot be structurally identical. Rather, each spiral loop (231) has its own courses of radii of curvature and is thus structurally fixed with regard to its position within the parallel arrangement of the spiral loops (23). At the same time, it is possible and advantageous that the individual strands of the curved light cages (231) can also be varied in the course of a spiral loop. For example, the thickness of the strands can change continuously, so that the light-guiding core area surrounded by the strands is no longer exactly in the center of the light cage (231), as is shown in FIG CN 111257992B for HARFs is proposed. The previously tested production of light cages (131, 231) by 3D structuring by means of UV laser irradiation of photoresist blocks and subsequent development is also easily suitable for such more complex, variably running (networked) structures with high precision. A suitable photoresist is, for example, a diacrylate-based photoresist such as IP-Dip, from which the light cages (131, 231) can be formed under UV illumination.

Abhängig von der Höhe der scheibenförmigen Kavität kann es möglich und vorteilhaft sein, dass der Anordnung der Lichtkäfige (13, 23) in einer ersten Scheibenebene wenigstens eine zweite Anordnung (13, 23) in einer zur ersten Scheibenebene parallel liegenden zweiten Scheibenebene nachgeschaltet wird. Dies ist besonders einfach möglich im Fall der mäandernden Lichtführung der 1, indem am Ende des Lichtpfades der ersten Anordnung (13) - am optischen Ausgang (111) - ein zusätzlicher Winkelspiegel angeordnet wird, der den Lichtstrahl um eine Strecke in z-Richtung versetzt retroreflektiert und so der zweiten - bevorzugt dann baugleichen - Anordnung (13) zuführt. Das geführte Licht „mäandert“ dann in der kurzen z-Achse versetzt den gleichen Weg zurück. Genauso lassen sich weitere Scheibenebenen ausnutzen, wenn der Platz in der Kavität dafür ausreicht.Depending on the height of the disk-shaped cavity, it can be possible and advantageous for the arrangement of the light cages (13, 23) in a first disk plane to be followed by at least one second arrangement (13, 23) in a second disk plane that is parallel to the first disk plane. This is particularly easy to do in the case of the meandering light guide 1 , by arranging an additional angle mirror at the end of the light path of the first arrangement (13) - at the optical output (111), which retroreflects the light beam offset by a distance in the z-direction and thus the second - preferably then identical - arrangement (13 ) supplies. The guided light then "meanders" in the short z-axis, offset back the same way. Other pane levels can also be used if there is enough space in the cavity.

Es ist bereits gängig und für die erfindungsgemäßen Gaszellen (1, 2) sehr vorteilhaft, wenn die Umwandung der Kavitäten (11, 12, 21, 22) mit Mitteln zum Regeln der Temperatur in der Gaszelle ausgestattet sind, um diese Temperatur in einem Bereich oberhalb der Umgebungstemperatur gezielt einzurichten und den Gasdruck zu stabilisieren. Der Gasdruck muss üblich konstant gehalten werden, auch wenn sich der Chip - die Gesamtvorrichtung - im laufenden Betrieb etwa durch die Abwärme von Chipkomponenten, z.B. einem integrierten Laser, erwärmen sollte. Im Falle einer solchen Erwärmung ist die Heizleistung von beispielsweise auf den Glasscheiben (12, 22) angeordneten Heizspulen entsprechend zu verringern. Hierfür umfassen die Mittel zum Regeln der Temperatur vorzugsweise auch Temperatur- und oder Drucksensoren, die an der Umwandung angeordnet sind und den Innenraum der Kavität kontinuierlich überwachen. Die elektrischen Sensormessdaten können einer Auswerteeinrichtung zugeführt werden, die bevorzugt in den Chip integriert ist, der auch die Gaszelle umfasst. Die Auswerteeinrichtung und eine Regeleinrichtung zur Bestromung z.B. von Heizspulen sind aber nicht zwingend in die Gaszellen (1, 2) selbst integriert, sondern können auch als externe Komponenten zugeschaltet sein.It is already common and very advantageous for the gas cells (1, 2) according to the invention if the walls of the cavities (11, 12, 21, 22) are equipped with means for controlling the temperature in the gas cell in order to keep this temperature in a range above the ambient temperature and to stabilize the gas pressure. The gas pressure must usually be kept constant, even if the chip - the entire device - should heat up during operation, for example due to the waste heat from chip components, e.g. an integrated laser. In the event of such heating, the heating output of heating coils arranged, for example, on the glass panes (12, 22) must be reduced accordingly. For this purpose, the means for controlling the temperature preferably also include temperature and/or pressure sensors, which are arranged on the wall and continuously monitor the interior of the cavity. The electrical sensor measurement data can be supplied to an evaluation device, which is preferably integrated into the chip that also includes the gas cell. However, the evaluation device and a control device for energizing e.g. heating coils are not necessarily integrated into the gas cells (1, 2) themselves, but can also be connected as external components.

Insbesondere ist es bevorzugt, wenn die Gaszelle wenigstens mit einem Alkalimetall-Dampf befüllt werden kann, wobei Heizspulen die erhöhte Temperatur zum Verdampfen des Alkalimetalls bereitstellen und für die Stabilisierung des Alkalimetall-Dampfdrucks eingesetzt werden.In particular, it is preferred if the gas cell can be filled with at least one alkali metal vapor, with heating coils providing the elevated temperature for evaporating the alkali metal and being used to stabilize the alkali metal vapor pressure.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

  • US 8385693 B2 [0004]US 8385693 B2 [0004]
  • US 7259374 B2 [0009]US 7259374 B2 [0009]
  • CN 111257992 B [0012, 0029]CN 111257992B [0012, 0029]

Zitierte Nicht-PatentliteraturNon-patent Literature Cited

  • Jain et al., „Hollow Core Light Cage: Trapping Light Behind Bars“, ACS Photonics 2019, 6, 3, 649-658 [0013]Jain et al., "Hollow Core Light Cage: Trapping Light Behind Bars", ACS Photonics 2019, 6, 3, 649-658 [0013]
  • Davidson-Marquis et al., „Coherent interaction of atoms with a beam of light confined in a light cage“, Light: Science & Applications (2021) 10:114 [0014]Davidson-Marquis et al., "Coherent interaction of atoms with a beam of light confined in a light cage", Light: Science & Applications (2021) 10:114 [0014]

Claims (10)

Gaszelle (1, 2) umfassend ein eingeschlossenes Gas in einer scheibenförmigen Kavität, wobei die Umwandung der Kavität (11, 12, 21, 22) für Licht eines vorbestimmten Wellenlängenintervalls wenigstens ein transparentes Eintrittsfenster und ein transparentes Austrittsfenster aufweist, und wobei das Licht von einem optischen Eingang (111, 2311) am Eintrittsfenster zu einem optischen Ausgang (111, 2311) am Austrittsfenster durch eine mit dem Gas befüllte Hohlkern-Wellenleiter-Anordnung (13, 23) geführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlkern-Wellenleiter-Anordnung (13, 23) abschnittsweise parallel verlaufende Lichtkäfige (131, 231) umfasst.Gas cell (1, 2) comprising an enclosed gas in a disc-shaped cavity, the wall of the cavity (11, 12, 21, 22) having at least one transparent entrance window and one transparent exit window for light of a predetermined wavelength interval, and the light from one optical input (111, 2311) at the entry window is led to an optical output (111, 2311) at the exit window through a gas-filled hollow-core waveguide arrangement (13, 23), characterized in that the hollow-core waveguide arrangement ( 13, 23) partially parallel light cages (131, 231). Gaszelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtkäfige (131, 231) nebeneinander in einer Ebene angeordnet sind, die mit der Scheibenebene der Kavität zusammenfällt.gas cell after claim 1 , characterized in that the light cages (131, 231) are arranged next to one another in a plane which coincides with the plane of the pane of the cavity. Gaszelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern-Kern-Abstand von zwei in der Hohlkern-Wellenleiter-Anordnung (13, 23) benachbarten Lichtkäfigen (131, 231) nicht größer ist als der doppelte Querschnittsdurchmesser der Lichtkäfige (131, 231).Gas cell according to one of the preceding claims, characterized in that the core-core distance between two adjacent light cages (131, 231) in the hollow-core waveguide arrangement (13, 23) is not greater than twice the cross-sectional diameter of the light cages (131, 231). Gaszelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die summierte Länge der Lichtkäfige (131, 231) wenigstens um einen Faktor 10 größer ist als der größte Durchmesser der scheibenförmigen Kavität.Gas cell according to one of the preceding claims, characterized in that the total length of the light cages (131, 231) is greater by at least a factor of 10 than the largest diameter of the disk-shaped cavity. Gaszelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtkäfige (131) als gerade Strecken ausgebildet sind, wobei den optischen Ein- oder Ausgängen (1311) jedes Paares von benachbarten Lichtkäfigen (131) ein retroreflektierender Winkelspiegel (112) gemeinsam gegenüberliegend angeordnet ist.Gas cell according to one of the preceding claims, characterized in that the light cages (131) are designed as straight sections, with a retro-reflective corner mirror (112) being arranged opposite the optical inputs or outputs (1311) of each pair of adjacent light cages (131). . Gaszelle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass an den optischen Ein- und/oder Ausgängen (1311) der Lichtkäfige (131) Kollimationslinsen angeordnet sind.gas cell after claim 5 , characterized in that collimating lenses are arranged at the optical inputs and/or outputs (1311) of the light cages (131). Gaszelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtkäfige (231) als Spiralschleifen mit einem ersten Krümmungsradius am Anfang und einem zweiten Krümmungsradius kleiner als der erste Krümmungsradius am Ende ausgebildet sind, wobei zwei benachbarte Lichtkäfige (231) an jener Stelle verbunden sind, an der der zweite Krümmungsradius des außen liegenden Lichtkäfigs (231) und der erste Krümmungsradius des innen liegenden Lichtkäfigs (231) übereinstimmen.Gas cell after one of Claims 1 until 4 , characterized in that the light cages (231) are designed as spiral loops with a first radius of curvature at the beginning and a second radius of curvature smaller than the first radius of curvature at the end, two adjacent light cages (231) being connected at the point at which the second radius of curvature of the outer light cage (231) and the first radius of curvature of the inner light cage (231) match. Gaszelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anordnung der Lichtkäfige (13, 23) in einer ersten Scheibenebene wenigstens eine zweite Anordnung (13, 23) in einer zur ersten Scheibenebene parallel liegenden zweiten Scheibenebene nachgeschaltet ist.Gas cell according to one of the preceding claims, characterized in that the arrangement of the light cages (13, 23) in a first pane plane is followed by at least one second arrangement (13, 23) in a second pane plane parallel to the first pane plane. Gaszelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtkäfige (131, 231) aus einem unter UV-Beleuchtung vernetzten Polymer gebildet sind.Gas cell according to one of the preceding claims, characterized in that the light cages (131, 231) are formed from a polymer which is crosslinked under UV illumination. Gaszelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umwandung der Kavität (11, 12, 21, 22) Mittel zum Regeln der Temperatur in der Gaszelle (1, 2) aufweist.Gas cell according to one of the preceding claims, characterized in that the wall of the cavity (11, 12, 21, 22) has means for regulating the temperature in the gas cell (1, 2).
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